<막스웰의 악마> 부활! 미크로의 세계에서는 시간이 돌아왔다

<막스웰의 악마> 부활! 미크로의 세계에서는 시간이 돌아왔다

 

 

 

웬걸! 악마가 부활하였다.!?

 

앞에서 질서에서 난잡함으로 향하는 엔트로피라는 개념을 확립하기 위한 과학자들의 노력과 막스웰의 도전장 <막스웰의 악마>에 대해서 말하였다.

그리고 1961년 미국의 란다우어(Landauer)에 의하여 <정보의 소거>라는 일을 할 때 쓰이는 에너지를 위하여 엔트로피가 증대한다는 아이디어가 일본의 도야베쇼이치(鳥谷部祥一)、사가와다카히로(沙川貴大)에 의하여 실증되어 엔트로피 증대의 법칙은 무사히 지켜졌다.

그리고 최근 놀라운 뉴스가 날라들었다. 2019년 모스크바 물리공과대학(MIPT)의 양자정보물리학연구실에서 필두연구원인 고디 레소피크 박사는 양자컴퓨터의 기술개발을 진행하는 중에 란담(random/무작위)이 되어 있는 양자비트의 상태가 질서 있는 상태로 거꾸로 돌아오는 현상을 관측하였다고 말하였다, 곧 <막스웰의 악마>가 부활했다는 것이다.

 

제3의 문자를 쓰는 양자컴퓨터

 

먼저 양자컴퓨터에 대해서 극히 간단히 설명하고 간다. 최근에는 뉴스 등으로 화제에 오르는 일도 증가하고 있는데 한 마디로 말하면 그것은 미크로의 양자세계에서 볼 수 있는 <상태의 겹쳐 모으기>를 이용하여 복수의 계산을 병열로 해버리자는 것이다.

상태의 겹쳐 모으기란 <슈레딩거의 고양이>의 예로 말하면 <살아있다.> <죽어있다.> 고 하는 2개의 상태를 동시에 표현하고 있는 것이다. 한 마리의 고양이로 복수의 상태를 동시에 나타낼 수가 있으므로 각각에 대하여 개별로 병렬적으로 계산을 실행할 수 있다. 따라서 계산이 비약적으로 빨라지고 효율화 된다는 생각이다.

종래의 컴퓨터는 일견 복잡한 정보의 교환을 하는 듯이 보이지만 기본적으로는 전기의 on/off 라는 2종류의 전기신호만으로 모두의 정보가 처리되므로 0과 1이라는 2종류의 숫자만의 나열로 표현되는 2진법이다. 그리고 컴퓨터의 상자에는 0이나 1 밖에 <0이기도 하고 1이기도하다>고 적힌 상자도 있다. 2개의 숫자를 합성한 것이므로 문자로 할 것이라면 <φ>같은 느낌일 것이다. 이 문자는 엷은 색으로 적혀 있는데 어떤 신호에 따라 진해져서 확실한 수로서 0이나 1 어는 쪽이 떠오른다. <슈레딩거의 고양이>의 예로 말하자면 <관측한다.>라는 행위가 신호가 된다.

이러한 <제3의 문자>도 씀으로써 종래형보다 계산이 두드러지게 빨라진다는 것이 대강의 양자컴퓨터의 장치의 이미지이다. 구글사의 연구자들이 양자컴퓨터를 써서 종래의 수퍼컴퓨터로 1만 년이나 걸리는 계산을 단 3분 20초로 해버린다는 뉴스는 기억에 새롭다.

단 공업용으로 실현하는 데는 투명하지 않으면 안 되는 문제가 많아서 아직은 시작(試作) 단계이다. 그런데 그 양자컴퓨터를 사용한 실험으로 놀라운 현상이 관측되었다고 보고되고 있다.

 

양자세계에서는 시간은 역전하는가?

 

레소피크 박사 등은 스위스와 미국의 팀과 공동으로 생물의 진화 프로그램을 양자컴퓨터로 계산하고 있었다. 진화프로그램이란 컴퓨터상에 2개의 가상의 <성>을 만들어서 쌍방의 <성>에서 계승한 유전자를 합체시켜(교배) 다시 수 % 이하의 확률로 돌연변이도 이어날 수 있도록 설정하고 마연계의 유전자잡단의 움직임을 모델화한 것이다. 유전자는 0과 1만으로 표현되어 그 움직임을 해석함으로써 진화라는 것의 정체를 찾으려는 셈이다.

그런데 이 0과 1의 움직임은 <막스웰의 악마>에 있어서 기체 분자처럼 엔트로피 증대의 법칙에 따르는 것이 정보열역학에서 알고 있었다. 프로그램이 진행됨에 따라 최초의 정연한 0과 1의 질서는 점점 잃어버려서 혼돈처럼 난잡해진다. 그런데 어느 순간부터 역으로 0과 1의 배치가 갖추기 시작하여 일정한 질서가 생긴 것을 관측했다는 것이다.

난잡에서 질서로의 변화는 말할 것도 없이 우주의 대법칙에 반하여 <시간의 화살>이 거꾸로 돌아온 것을 나타내는 것이다.

박사 등은 이 결과를 전지저널 <「Scientific Reports>로 발표하자마자 놀라움과 함께 맞아 <양자컴퓨터로 시간의 역전을 초관측>이라는 뉴스가 세계를 돌았다. <마침내 인류는 막스웰의 악마를 만들어내었다.>라는 제목도 있었다. 그것들은 대개 이렇게 보도하고 있다.

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양자 컴퓨터에서의 기본정보단위를 <큐비트>라 하고 0, 1 <그 겹쳐 합치기>의 3개의 상태를 표현한다. 실험에서는 진화 프로그램이 일어서면 큐비트의 변화 패턴은 점점 복잡해져서 규칙 바르게 모은 당구장의 구슬이 산란할 것처럼 난잡해진다. 그런데 실험에서는 그 상태가 수정되어 혼돈에서 질서로 <역방향>으로 큐비트가 도로 말려서 원 상태로 되었다. 그것은 테블 위에 산란한 당구장의 구슬이 완전한 계산에 따라 완벽한 질서를 가진 정삼각형으로 돌아오는 것과 같다. 곧 시간이 역전한 것이다.

실험을 2큐비트로 행한 경우는 <시간의 역전>의 달성율은 85%였다. 3큐비트로 실험하면 에러 발생이 증가하였기 때문에 달성율은 50%가 되었다.(양자의 불확정성에 따름) 그 결과는 양자컴퓨터의 개발에 실용적으로 응용 가능하다. 프로그램을 업데이트하여 노이스나 애러를 지우기 위하여 사용할 수 있다.=========

 

시간이 거꾸로 되돌아오는 것은, 양자역학의 세계이니까?

 

<양자역학의 세계에서는 잃어버린 질서마저도 도로 말린다는 것을 나타내었다. 열역학제2법칙에 반하는 거동은 양자세계에서는 달성된다.>

대개의 물리법칙은 미래와 과거를 구별하지 않는다. 그러나 <열은 저온에서 고온으로 자발적으로 이동하는 일은 없다.>고 하는 열역학제2법칙만에서는 질서에서 무질서에로의 한 방향의 흐름밖에 허용하지 않는다. 그것은 이제까지의 역사가 증명하듯이 결코 위반하는 일은 못한다. <시간의 역전> 등 일어지 않는다.

그럼에도 불구하고 소립자 하나의 움직임을 보는 양자적 스케일에서는 시간이 역전하는 일도 있을 수 있다... 레소피크 박사 등의 실험결과는 그렇게 말하고 있는 것이다.

지금은 이 이상의 일은 누구도 모른다. 그러나 우리들로서 가장 무서운 <숙적> 엔트로피라 하더라도 반석이 아니라는 것만은 확실한 듯하다. 금후 양자컴퓨터의 완성과 함께 이쪽의 연구로 원래대로의 발전이 있는지 기대하지 않을 수 없다.

또 <막스웰의 악마>가 부활하여 시간이 거꾸로 되돌아올 가능성의 발견은 양자세계라면 시간에 대하여도 무엇이 일어나더라도 불가사의하지는 않음을 고쳐 느끼게 해준다.

제3회에서는 양자역학이 무엇인지 날고 있음을 말하였는데 실은 시간도 그런 양자세계의 일원이 아닌가. 곧 시간을 점점 분할해 가면 최후에는 소립자 같은 최소단위로 가서 닿을 것이 아닌가. 하는 생각도 있다. <시간은 거꾸로 되돌아올 수 있는가>라는 사고의 여행을 계속하는 우리들로서 레소피크 박사 등의 발견은 시간의 크기라는 다음 여로에로의 문이기도 하다.*

 

출처=gendai.ismedia.jp ›

필자

다카미스 유이치(高水裕一)

1980년 도쿄 생, 츠쿠바대학(筑波大學) 계산과학연구센터연구원. 2003년. 와세다대학(早稲田大學) 이공학부물리학과 졸업. 2007년, 와세다대학에서 이학박사. 2009년, 도쿄대학(東京大學) 대학원이학계연구과 빅뱅센터 특임연구원. 2012년, 교토대학(京都大學) 기초물리학연구소PD학진특별연구원. 2013년 영국게임브리치대학 응용수학. 이론물리학과이론우주론센터에 소속하여 그 소장인 스티븐 호킹박사에 사사. 2016년부터 현직. 전문은 우주론. 근년에는 기계학습을 사용한 의학물리학 연구에 정진하고 있음.